Journal of Applied Economic Research
ISSN 2712-7435
УДК 338.242:628.3
Оценка взаимосвязи экологических и энергетических характеристик процесса очистки сточных вод в условиях перехода к циркулярной экономике
А. В. Киселев, Е. Р. Магарил
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Россия
Аннотация
Очистные сооружения канализации играют ключевую роль в обеспечении экологической безопасности водных объектов. Нормативное качество работы очистных сооружений достигается за счет внедрения наилучших доступных технологий, однако процесс очистки сточных вод и обработки осадка является достаточно энергоемким. При реализации инвестиционных программ руководители предприятий и главы муниципалитетов зачастую уделяют внимание отдельным задачам – повышению качества очистки или энергетической эффективности, однако эти факторы взаимосвязаны: достижение нормативного качества очистки сточных вод за счет внедрения наилучших доступных технологий и увеличения количества технологических стадий обычно приводит к увеличению общего энергопотребления сооружений. Гипотеза исследования заключается в необходимости взаимного учета факторов повышения качества очистки сточных вод и энергетической эффективности при оценке эффективности работы канализационных очистных сооружений. Целью работы является разработка методологического подхода к оценке эффективности работы очистных сооружений, который учитывает качество очистки сточных вод и энергетические затраты на технологический процесс, с последующей его апробацией. Методологический подход включает в себя следующие этапы: 1) оценка качества очистки сточных вод, 2) оценка энергоэффективности и 3) построение индекса устойчивости на корреляционной матрице. Для апробации предлагаемого подхода использованы параметры работы очистных сооружений в городе Екатеринбурге за 2015–2018 гг. Результаты исследования развивают существующие знания относительно оценки эффективности управления на очистных сооружениях и подтверждают сформулированную гипотезу исследования: полученные значения индекса устойчивости коррелируют с техническим состоянием сооружений и в части достижения нормативного качества очистки, и в части энергетической эффективности всего процесса. Практическая значимость исследования заключается в создании удобного и простого управленческого инструмента оценки текущего успеха на очистных сооружениях и прогресса в реализации успешных практик циркулярной экономики. Предлагаемый подход может быть использован в качестве элемента эколого-экономической оценки в энергетике.
Ключевые слова
сточные воды; индекс устойчивости; циркулярная экономика; бенчмаркиниг; энергозатраты.
JEL classification
Q56Список использованной литературы
1. Ostoich M., Serena F., Zacchello C., Falletti L., Zambon M., Tomiato L. Discharge quality from municipal wastewater treatment plants and the Sludge Biotic Index for activated sludge: Integrative assessment // Water Practice and Technology. 2017. Vol. 12, Issue 4. Рр. 857–870. https://doi.org/10.2166/wpt.2017.092
2. Huang B., He C., Fan N., Jin R., Yu H. Envisaging wastewater-to-energy practices for sustainable urban water pollution control: Current achievements and future prospects // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. Vol. 134. Р. 110134. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110134
3. Mor J., Dolédec S., Acuña V., Sabater S., Muñoz I. Invertebrate community responses to urban wastewater effluent pollution under different hydro-morphological conditions // Environmental Pollution. 2019. Vol. 252, Part A. Рр. 483–492. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.05.114
4. Zaborowska E., Czerwionka K., Makinia J. Strategies for achieving energy neutrality in biological nutrient removal systems — a case study of the Slupsk WWTP (northern Poland) // Water Science & Technology. 2017. Vol. 75, Issue 3. Рр. 727–740. https://doi.org/10.2166/wst.2016.564
5. Siatou A., Manali A., Gikas P. Energy Consumption and Internal Distribution in Activated Sludge Wastewater Treatment Plants of Greece // Water. 2020. Vol. 12, Issue 4. Р. 1204. https://doi.org/10.3390/W12041204
6. Gurung K., Tang W., Sillanpää M. Unit Energy Consumption as Benchmark to Select Energy Positive Retrofitting Strategies for Finnish Wastewater Treatment Plants (WWTPs): A Case Study of Mikkeli WWTP // Environmental Processes. 2018. Vol. 5. Рр. 667–681. https://doi.org/10.1007/s40710-018-0310-y
7. Valenti F., Toscano A. A GIS-based Model to Assess the Potential of Wastewater Treatment Plants for Enhancing Bioenergy Production within the Context of Water-Energy Nexus // Energies. 2021. Vol. 14, Issue 10. Р. 2838. https://doi.org/10.3390/en14102838
8. Borzooei S., Campo G., Cerutti A., Meucci L., Panepinto D., Ravina M., Riggio V., Ruffino B., Scibilia G., Zanetti M. Feasibility Analysis for Reduction of Carbon Footprint in a Wastewater Treatment Plant // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 271. Р. 122526. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122526
9. Shrestha B., Hernandez R., Fortela D., Sharp W., Chistoserdov A., Gang D., Revellame E., Holmes W., Zappi M. A Review of Pretreatment Methods to Enhance Solids Reduction during Anaerobic Digestion of Municipal Wastewater Sludges and the Resulting Digester Performance: Implications to Future Urban Biorefineries // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, Issue 24. Р. 9141. https://doi.org/10.3390/app10249141
10. Fighir D., Teodosiu C., Fiore S. Environmental and Energy Assessment of Municipal Wastewater Treatment Plants in Italy and Romania: A Comparative Study // Water. 2019. Vol. 11, Issue 8. Р. 1611. https://doi.org/10.3390/w11081611
11. Raghuvanshi S., Bhakar V., Sowmya C., Sangwan K. S. Waste Water Treatment Plant Life Cycle Assessment: Treatment Process to Reuse of Water // Procedia CIRP. 2017. Vol. 61. Pр. 761–766. https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.11.170
12. Li Y., Luo X., Huang X., Wang D., Zhang W. Life Cycle Assessment of a municipal wastewater treatment plant: A case study in Suzhou, China // Journal of Cleaner Production. 2013. Vol. 57. Рр. 221–227. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2013.05.035
13. Rebello T., Roque R., Goncalves R., Calmon J., Queiroz L. Life cycle assessment of urban wastewater treatment plants: A critical analysis and guideline proposal // Water Science & Technology. 2021. Vol. 83, Issue 3. Рр. 501–514. https://doi.org/10.2166/wst.2020.608
14. Lopes T., Queiroz L., Torres E., Kiperstok A. Low complexity wastewater treatment process in developing countries: A LCA approach to evaluate environmental gains // Science of The Total Environment. 2020. Vol. 720. Р. 137593. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137593
15. Lorenzo-Toja Y., Alfonsin C., Amores M., Aldea X., Marin D., Moreira M., Feijoo G. Beyond the conventional life cycle inventory in wastewater treatment plants // Science of The Total Environment. 2016. Vol. 553. Рр. 71–82. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.02.073
16. Chen K., Wang H., Valverde-Perez B., Zhai S., Vezzaro L., Wang A. Optimal control towards sustainable wastewater treatment plants based on multi-agent reinforcement learning // Chemosphere. 2021. Vol. 279. Р. 130498. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130498
17. Alex J., Benedetti L., Copp J., Gernaey K. V., Jeppsson U., Nopens I., Pons M.-N., Rieger L., Rosen C., Steyer J. P., Vanrolleghem P., Winkler S. Benchmark Simulation Model no. 1 (BSM1). Dept. of Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University, 2008. URL: https://www.iea.lth.se/publications/Reports/LTH-IEA-7229.pdf
18. Revollar S., Meneses M., Vilanova R., Vega P., Francisco M. Eco-Efficiency Assessment of Control Actions in Wastewater Treatment Plants // Water. 2021. Vol. 13, Issue 5. Р. 612. https://doi.org/10.3390/w13050612
19. De Ketele J., Davister D., Ikumi D. Applying performance indices in plantwide modelling for a comparative study of wastewater treatment plant operational strategies // Water SA. 2018. Vol. 44, No. 4. Рр. 539–550. https://doi.org/10.4314/wsa.v44i4.03
20. Zaborowska E., Czerwionka K., Makinia J. Integrated plant-wide modelling for evaluation of the energy balance and greenhouse gas footprint in large wastewater treatment plants // Applied Energy. 2021. Vol. 282, Part A. Р. 116126. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.116126
21. Cassidy J., Silva T., Semiao N., Ramalho P., Santos A., Feliciano J. Improving wastewater treatment plants operational efficiency and effectiveness through an integrated performance assessment system // H2Open Journal. 2020. Vol. 3, No. 1. Рр. 276–287. https://doi.org/10.2166/h2oj.2020.007
22. Silva C., Saldanha Matos J., Rosa M. A comprehensive approach for diagnosing opportunities for improving the performance of WWTP // Water Science & Technology. 2016. Vol. 74, Issue 12. Рр. 2935–2945. https://doi.org/10.2166/wst.2016.432
23. Longo S., Hospido A., Lema J. M., Mauricio-Iglesias M. A systematic methodology for the robust quantification of energy efficiency at wastewater treatment plants featuring Data Envelopment Analysis // Water Research. 2018. Vol. 141. Рр. 317–328. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.04.067
24. Киселев А. В., Магарил Е. Р. Обеспечение эффективности водоочистки в условиях циркулярной экономики как элемент эколого-экономической безопасности территорий // Вестник УРФУ. Серия экономика и управление. 2019. Т. 18, № 6. С. 911–929. https://doi.org/10.15826/vestnik.2019.18.6.044
25. Пупырев Е. И. Сбор и очистка хозяйственно-бытовых сточных вод: критический обзор достигнутых результатов // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14, № 11. С. 1365–1407. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2019.11.1365-1407
26. Kiselev A., Magaril E., Rada E. C. Energy and sustainability assessment of municipal wastewater treatment under circular economy paradigm // WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2019. Vol. 237. Рр. 109–120. https://doi.org/10.2495/ESUS190101
27. Rukavishnikova I., Kiselev A., Berezyuk M., Ashirova I. Improvement of the methodology for assessing domestic wastewater treatment quality using benchmarking tools // WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2018. Vol. 228. Рр. 209–219. https://doi.org/10.2495/WP180211
28. Валиев В. С., Иванов Д. В., Шагидуллин Р. Р., Шамаев Д. Е., Мустафина Л. К., Шурмина Н. В., Абдуллина Ф. М., Богданова О. А., Зиганшин И. И. Оценка вклада загрязняющих веществ в формирование класса загрязненности поверхностных вод // Российский журнал прикладной экологии. 2018. № 3. С. 57–64.
29. Belloir C., Stanford C., Soares A. Energy benchmarking in wastewater treatment plants: The importance of site operation and layout // Environmental Technology. 2015. Vol. 36, Issue 2. Рр. 260–269. https://doi.org/10.1080/09593330.2014.951403
30. Киселев А. В., Магарил Е. Р., Глушанкова И. С., Рудакова Л. В. Оценка технологий обработки осадков сточных вод в условиях перехода к циркулярной экономике // Journal of Applied Economic Research. 2020. Т. 19, № 3. С. 329–347. https://doi.org/10.15826/vestnik.2020.19.3.016
Благодарности
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-28-01740, rscf.ru/project/22-28-01740/.
Информация об авторах
Киселев Андрей Владимирович
Младший научный сотрудник кафедры экономики природопользования Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Россия (620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19); ORCID 0000-0002-4199-2582; e-mail: ipkiselyov@mail.ru.
Магарил Елена Роменовна
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой экономики природопользования Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Россия (620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19); ORCID 0000-0003-3034-9978; e-mail: magaril67@mail.ru.
Для цитирования
Киселев А. В., Магарил Е. Р. Оценка взаимосвязи экологических и энергетических характеристик процесса очистки сточных вод в условиях перехода к циркулярной экономике // Journal of Applied Economic Research. 2023. Т. 22, № 1. С. 99-119. DOI: https://doi.org/10.15826/vestnik.2023.22.1.005.
Информация о статье
Дата поступления 27 сентября 2022 г.; дата поступления после рецензирования 8 ноября 2022 г.; дата принятия к печати 22 ноября 2022 г.
DOI: http://dx.doi.org/10.15826/vestnik.2023.22.1.005
Скачать полный текст статьи:
~2 МБ, *.pdf
(Размещен
05.03.2023)
Создано / Изменено: 18 августа 2015 / 20 сентября 2021
© ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Увидели ошибку?
выделите фрагмент и нажмите:
Ctrl + Enter
Дизайн портала: Artsofte